第10章+细胞骨架

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②原肌球蛋白 (Tropomyosin, Tm) 由两条平
行的多肽链相互缠绕成螺旋状，首尾相连， 形成长丝，位于肌动蛋白螺旋沟内，每1分子 覆盖7个肌动蛋白单体，调节肌动蛋白与肌球 蛋白头部的结合。
③肌钙蛋白 (Troponin, Tn) 为复合物，包括
三个亚基： Tn C (Ca2+敏感性蛋白，能特异 与Ca2+结合) 、 Tn T (与原肌球蛋白结合)、 Tn I (抑制肌球蛋白马达结构域的ATPase的 活性，阻碍肌动蛋白与肌球蛋白结合) 。
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-
+
单体肌动蛋白的结构
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• 在哺乳动物和鸟类细胞中至少已分离到6种肌 动蛋白，包括4种-肌动蛋白、-和-肌动蛋 白各1种共三类肌动蛋白。 4种-肌动蛋白分 别为横纹肌、心肌、血管平滑肌和肠道平滑 肌所特有， -和-肌动蛋白存在于所有肌细 胞和非肌细胞中。肌动蛋白具有极高的保守 性，低等动物的肌动蛋白能与人的肌动蛋白 形成杂交分子；不同来源的肌动蛋白其氨基 酸顺序差异很小。
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二、微丝网络结构的调节与细胞运动
(一) 非肌肉细胞内微丝的结合蛋白：
◆ 肌动蛋白单体结合蛋白
◆ 成核蛋白Arp2/3 ◆ 加帽蛋白 (capping protein) ◆ 交联蛋白 (cross-linking protein)
◆ 纤维割断蛋白
(filament-severing protein)
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肌动蛋白组装过程中发生的踏车行为
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◆微丝的动态不稳定性
▶ 微丝的聚合与解聚主要取决于F-肌动蛋 白的水解速度与游离 G-actin单体浓度之 间的关系。
▶结合ATP肌动蛋白浓度决定微丝的组装 与解聚。结合ATP肌动蛋白浓度高于临 界浓度，微丝组装；反之微丝解聚。
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微丝的动态不稳定性
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◆ 膜结合蛋白
(membrane-binding protein)
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末端阻断蛋白
交联蛋白
单体结合蛋白
纤维割断蛋白
非肌细胞内的微丝结合蛋白 22
肌动蛋白单体结合蛋白与微丝的组装
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体内与微丝形成有关的成核蛋白和加帽蛋白
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交联蛋白与微丝的相互作用
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微丝切断蛋白
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肌动蛋白、微丝结合蛋白与整联蛋白的关系
(三) 影响微丝组装的特异性药物
▶ 细胞松弛素 B (cytochalasin)：真菌分泌的生物碱； 结合微丝后将微丝切断，并结合在微丝正极，阻 止新的单体聚合，因而导致微丝解聚。
▶ 鬼笔环肽(philloidin)：是一种毒覃产生的双环杆 肽，与微丝有强的亲和作用，能稳定微丝，防止 微丝解聚。
影响微丝装配动态性的药物对细胞都有毒害， 说明微丝功能的发挥依赖于微丝与肌动蛋白单体库间 的动态平衡。该动态平衡受肌动蛋白单体浓度和微丝 结合蛋白的影响。
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肌动蛋白
肌钙蛋白
原肌球蛋白
原肌球蛋白与肌钙蛋白
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④ CapZ：定位于肌细胞Z盘，与肌动蛋白丝正极
端结合，阻止肌动蛋白丝正极端的解聚，使肌动 蛋白丝保持稳定。
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⑤ -辅肌动蛋白：骨骼肌Z盘、平滑肌细
胞质板及心肌闰盘主要成份之一，可横向 连接微丝成束。
⑥ 纽蛋白：可见于平滑肌细胞质板、心肌
毛缘蛋白 绒毛蛋白
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• 微丝结合蛋白如绒毛蛋白、肌球蛋白I、绒 毛蛋白和毛缘蛋白在微丝束的形成、维持 及与微绒毛细胞膜连接中起重要作用。
• 肌球蛋白I的头部具有ATP酶活性，它与微 丝和质膜的连接可提供一种张力，用来保 持微丝处于微绒毛中心位置，也可能使微 绒毛发生弯曲。
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(六) 胞质分裂环
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延伸 黏附 移位 去黏附
细 胞 爬 行
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非肌细胞迁移中细胞前缘肌动蛋白 的聚合和伪足的形成
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纤维切割蛋白引起细胞后缘肌动蛋白的解聚
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(五) 微绒毛 (microvillus)
• 是肠上皮细胞的指状突 起，用以增加肠上皮细 胞表面积，以利于营养 的快速吸收。
• 微绒毛中的微丝呈同向 平行排列，微丝束的正 端指向微绒毛的顶端， 负端终止于端网结构， 微丝束与中间丝相连。
• 应力纤维可能在细胞形态发生、细胞分化、细胞 转化和组织的形成方面具有重要作用。
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应力纤维的结构组成
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Fra Baidu bibliotek3
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(四) 细胞伪足的形成与细胞迁移
细胞爬行是多细胞动物细胞移动的方式之 一，涉及肌动蛋白和/或黏着斑的解聚和重新 装配。体外培养细胞爬行可分为四个过程： ① 延伸：细胞前缘伸出伪足（肌动蛋白聚合 引起）；② 黏附：扩展的前缘通过黏着斑的 形成附着到基质表面；③ 移位：细胞以附着 点为支点向前移动；④去黏附：位于细胞后 部的附着点与基质脱离，细胞的尾部前移。
一、微丝的组成及其组装 二、微丝结合蛋白与细胞运动 三、肌球蛋白——微丝的分子马达蛋白 四、肌细胞的收缩运动
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7 nm
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一、微丝的成份及其组装
(一) 结构与成分
• 肌动蛋白 (actin) 是微丝的结构成分。细胞内 有两种肌动蛋白形式——单体肌动蛋白和纤 维状肌动蛋白。单体肌动蛋白(又叫G-actin) 由单个肽链折叠而成，相对分子质量为 43103，外观呈球状，中央有一裂口，裂口 内有ATP和Mg2+（或Ca2+）结合位点。由单 体肌动蛋白组装成的微丝又称为F-actin。
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1. 肌球蛋白的结构：
由一个重链和几个轻链组成，并组成三个 结构域：
●马达结构域：位于分子的头部，含有与 肌动蛋白、ATP结合的位点，负责产生驱动力。
●调控结构域：位于分子的颈部：颈部通 过同钙调素或类似钙调素的调节轻链亚基的结 合来调节头部的活性。
●尾部结构域：位于分子的尾部，决定尾 部同膜结合还是同其它结构结合。
第10章 细胞骨架
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• 细胞骨架是指存在于真核细胞中的蛋白纤维网架 系统。
• 广义的细胞骨架包括细胞质骨架、细胞核骨架和 细胞膜骨架；狭义的细胞骨架指细胞质骨架，包 括微丝、微管及中间丝。微丝由肌动蛋白构成， 微管由微管蛋白构成，中间丝由特殊的纤维蛋白 家族蛋白构成。
• 细胞骨架为维持细胞形态提供支架、保持细胞内 部结构的有序性起重要作用，而且还与细胞内物 质运输、细胞运动、信号转导、mRNA的翻译、 细胞分裂、细胞分化等生命活动密切相关。
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第一节 微丝 (Microfilament) 第二节 微管 (Microtubule) 第三节 中间丝
(Intermediate filament)
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第一节 微丝 (microfilament, MF)
又称肌动蛋白丝(actin filament), 是指真核细 胞中由肌动蛋白(actin)组成、直径为7~9nm的实 心纤维。可成束、成网和以纤维状分散存在。
——依赖于微丝的分子马达
分子马达(molecular motor)主要指依 赖于微丝的肌球蛋白(myosin)和依赖于微 管的驱动蛋白(kinesin)、动力蛋白(dynein) 这三类蛋白质超家族的成员。它们既能与 微丝或微管结合，又能与一些细胞器或膜 状小泡特异性地结合，并利用水解ATP所 产生的能量有规则地沿微丝或微管等细胞 骨架纤维运输所携带“货物”。
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(二) 微丝的组装及其动力学特征
1. 肌动蛋白纤维装配：
微丝是由球形肌动蛋白G-actin单体形 成的双股螺旋状纤维 (F-actin)，每36nm拧 成一圈。肌动蛋白单体具有极性，装配时 呈头尾相接，故微丝具有极性，有正极与 负极之别，结合ATP的方向为负极。
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负端
正端
肌动蛋白
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植物细胞的胞质环流与微丝的关系
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微丝与细胞的变形运动
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(三) 应力纤维（stress fiber）
• 紧贴黏着斑的细胞质膜内侧有大量成束状沿细胞 长轴平行排列的微丝，称为应力纤维。由肌动蛋 白、肌球蛋白II、原肌球蛋白、细丝蛋白和辅肌动蛋白组成的纤维束状结构。
• 介导细胞间形成粘着带或细胞与基质表面形成粘 着斑。
微丝装配过程： ● 成核 (nucleation) ● 延伸 (elongation) ● 稳定期 (steady state)
微丝的体外组装过程
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2. 影响装配的因素：
◆ G-肌动蛋白临界浓度 ◆ 离子的影响
▶ 在 适 当 浓 度 Ca2+ 以 及 很 低 的 Na+ 、 K+ 等 阳离子的溶液中，微丝趋向于解聚成G-肌动蛋 白。
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(二) 细胞皮层
细胞膜下有一层富含肌动蛋白细丝的区域， 称为细胞皮层。一些微丝结合蛋白（如细丝蛋白） 能将不同方向的微丝相互连接成三维网络并与细 胞膜连接，使膜蛋白的流动性受到限制；微丝网 格可增加细胞膜的抗机械强度和韧性，有利于维 持细胞形状。细胞的多种运动，如胞质环流、阿 米巴运动、变皱膜运动、吞噬以及膜蛋白的定位 等都与皮层内肌动蛋白有关。
闰盘，介导微丝与细胞质膜结合。
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Actin (green), myosin (red). Rod-like tropomyosin molecules (black lines). Thin filaments in muscle sarcomeres are anchored at the Z-disk by the cross-linking protein -actinin (gold) and are capped by CapZ (pink squares). The thin-filament pointed ends terminate within the A band, are capped by tropomodulin (bright red). Myosin-binding-protein C (MyBP-C; yellow transverse lines).
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3. 肌球蛋白的功能：
不同种类肌球蛋白的功能由它们的尾部决 定：
● Ⅱ型肌球蛋白：肌收缩、胞质分裂 ● Ⅰ型肌球蛋白：运输作用 ● Ⅴ型肌球蛋白：运输作用
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微丝在细胞中的运输作用
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四、肌细胞的收缩运动
肌细胞的收缩单位是肌原纤维，由粗丝和细丝 组装形成；粗丝的成分是肌球蛋白，细丝的成分主 要是肌动蛋白，辅以原肌球蛋白和肌钙蛋白。肌节 是肌原纤维的基本收缩单位。
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Structure of a myosin molecular
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2. 肌球蛋白的类型：
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II 型肌球蛋白的结构
II型肌球蛋白也称为传统的肌球蛋白，由2条重链和4条轻 链组成。肌细胞中II型肌球蛋白组装成肌原纤维的粗丝， 参与肌肉收缩；非肌细胞中，II型肌球蛋白分布于应力纤 维和胞质收缩环中，参与张力的形成和胞质分裂。
有丝分裂末期，两个即将分裂的子细胞 之间产生一个胞质收缩环。收缩环由大量反 向平行排列的微丝组成，收缩环的收缩使两 个细胞分开，胞质分裂后收缩环即消失。收 缩环收缩的动力来自纤维束中肌动蛋白和肌 球蛋白相对滑动，或者说是由II型肌球蛋白 介导的、相反极性微丝间的滑动。
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三、肌球蛋白(myosin)
▶ 在 含 有 ATP 、 Mg2+ 和 高 浓 度 K+ 或 Na+ 的 诱导下， G-肌动蛋白则装配成纤维状肌动蛋白。
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3. 微丝组装的动力学特性：
◆踏车现象(treadmilling)与方向性
体外组装时，在一定的肌动蛋白浓度 下，F肌动蛋白正极装配的速度和负极解聚 的速度相等，使F肌动蛋白处于平衡状态， G-actin在正极端装配，负极去装配，从而 表现出一端装配另一端去装配的踏车现象。
1. 骨骼肌及肌纤维的结构 2. 与肌肉收缩有关的微丝结合蛋白 3. 肌肉收缩的滑动模型
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1. 骨骼肌及肌纤维的结构：
肌纤维束
肌原纤维
肌纤维 55
M line
肌节的结构模式图
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2. 与肌肉收缩有关的微丝结合蛋白
① II型肌球蛋白 (Myosin II) ——属马达蛋
白，为构成粗丝的成分，主要分布于肌细 胞，有两个球形头部结构域和一个互为螺 旋的尾部链，多个II型肌球蛋白尾部相互 缠绕，形成粗肌丝。肌球蛋白其头部具 ATPase活力，沿微丝从负极到正极进行运 动。
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双极性 II 型肌球蛋白的装配
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I 型肌球蛋白的结构
I 型肌球蛋白只有一个头部和一个尾部， 头部为马达结构域， 能与肌动蛋白结合，尾部可能与运输的膜泡或细胞质膜结合， 并可沿微丝轨道移动。
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V型肌球蛋白
V 型肌球蛋白有2条重链和多条轻链组成，形成两个头部和 两个尾部， 头部为马达结构域，能与肌动蛋白结合；V型肌 球蛋白的两个头部交替与微丝结合可以确保整个分子以及所 运载的“货物”始终与微丝结合。